DE102019209767A1 - Method for parking a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Anodenrezirkulationsleitung (5) einschließlich eines Purgeventils (6) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), bei zu erwartenden Froststartbedingungen für einen Neustart, umfassend die Schritte der Initiierung der Abschaltprozedur durch einen Wechsel aus einem auf die Gewinnung elektrischer Energie gerichteten Produktionsmodus in einen auf die zumindest anodenseitige Trocknung des Brennstoffzellenstapels (2) gerichteten Leerlaufmodus, in dem beim fortgesetzten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (1) die Stickstoffkonzentration anodenseitig bis über einen Grenzwert erhöht und nach dem Überschreiten des Grenzwertes mit dem mit Stickstoff angereicherten Anodengas ein Spülvorgang zum Austreiben flüssigen Wassers durchgeführt wird. Nach dem Austreiben des flüssigen Wassers wird der Leerlaufmodus und damit die Abschaltprozedur für das endgültige Abschalten beendet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (2) sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for shutting down a fuel cell device with a fuel cell stack (2) having an anode recirculation line (5) including a purge valve (6), when frost start conditions are expected for a restart, comprising the steps of initiating the shutdown procedure by changing from one to the Generation of electrical energy directed production mode in an idle mode directed towards the drying of the fuel cell stack (2) at least on the anode side, in which during continued operation of the fuel cell device (1) the nitrogen concentration on the anode side increases to above a limit value and after the limit value is exceeded with the nitrogen-enriched anode gas a flushing operation to drive off liquid water is performed. After the liquid water has been driven out, the idle mode and thus the shutdown procedure for the final shutdown are ended. The invention also relates to a fuel cell device (2) and a motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Anodenrezirkulationsleitung einschließlich eines Purgeventils aufweisenden Brennstoffzellenstapel, bei zu erwartenden Froststartbedingungen für einen Neustart. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for shutting down a fuel cell device with a fuel cell stack having an anode recirculation line including a purge valve, when frost start conditions are expected for a restart. The invention also relates to a fuel cell device and a motor vehicle.

Brennstoffzellenvorrichtungen, insbesondere wenn sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, können wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt sein, die auch das Vorliegen von Froststartbedingungen einschließen, also die Gefahr bieten, dass bei einem Neustart einer Brennstoffzellenvorrichtung Eisblockaden eine ausreichende Versorgung der Brennstoffzellen mit Reaktanten behindern oder sogar verhindern. Um diesem Problem zu begegnen ist es bekannt, die Brennstoffzellenvorrichtung beim Abschalten ausreichend zu trocknen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Trocknung der Anodenstrecke, da dort vorliegende Eisblockaden zu einer Wasserstoffverarmung an den Elektroden und einer irreversiblen Degradation führen können.Fuel cell devices, especially if they are used in motor vehicles, can be exposed to changing environmental conditions, which also include the existence of frost start conditions, i.e. the risk that when a fuel cell device is restarted, ice blockages impede or even prevent an adequate supply of the fuel cells with reactants. In order to counter this problem, it is known to dry the fuel cell device sufficiently when it is switched off. One focus is on drying the anode section, since ice blockages there can lead to hydrogen depletion on the electrodes and irreversible degradation.

In der US 2018/0034082 A1 wird vorgeschlagen, vor einem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung trockenes Purgegas von einem Einlass zu einem Auslass zu leiten, um Wasser auszuspülen und nachfolgend das trockene Purgegas vom Auslass zum Einlass zu führen.In the US 2018/0034082 A1 it is proposed, before switching off the fuel cell device, to conduct dry purge gas from an inlet to an outlet in order to flush out water and subsequently to lead the dry purge gas from the outlet to the inlet.

Die US 2011/0262 822 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschalten, das einen erhöhten kathodenseitigen Luftstrom vorsieht, um die Membranen bis zu einem gewünschten ersten Niveau zu trocknen, um anschließend die Feuchte wieder bis zu einem gewünschten zweiten Niveau anzuheben. Schließlich wird der Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeninput mit reduzierter Feuchte betrieben, um ein nochmals anderes Niveau zu erreichen.The US 2011/0262 822 A1 discloses a method of shutdown that provides increased cathode-side air flow to dry the membranes to a desired first level and then to raise the humidity again to a desired second level. Finally, the fuel cell stack is operated with a cathode input with reduced humidity in order to achieve yet another level.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Abschaltvorgang einer Brennstoffzellenvorrichtung bei zu erwartenden Froststartbedingungen bei einem Neustart zu verbessern und die dafür erforderlichen apparativen Voraussetzungen zu schaffen.The object of the present invention is therefore to improve the shutdown process of a fuel cell device when frost start conditions are to be expected during a restart and to create the necessary equipment requirements.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1, by a fuel cell device with the features of claim 6 and by a motor vehicle with the features of claim 7. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Anodengasrezirkulationsleitung einschließlich eines Purgeventils aufweisenden Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass bei zu erwartenden Froststartbedingungen für einen Neustart, eine Initiierung einer Abschaltprozedur durch einen Wechsel aus einem auf die Gewinnung elektrischer Energie gerichteten Produktionsmodus in einen auf die zumindest anodenseitige Trocknung des Brennstoffzellenstapels gerichteten Leerlaufmodus erfolgt, in dem beim fortgesetzten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung die Stickstoffkonzentration anodenseitig bis über einen Grenzwert erhöht und nach dem Überschreiten des Grenzwertes mit dem mit Stickstoff angereicherten Anodengas ein Spülvorgang zum Austreiben flüssigen Wassers durchgeführt wird. Desweiteren wird nach dem Austreiben des flüssigen Wassers der Leerlaufmodus und damit die Abschaltprozedur für das endgültige Abschalten beendet. Die Anreicherung des Anodengases mit Stickstoff bewirkt eine Erhöhung der Viskosität mit einer verbesserten Eignung, Flüssigwasser auszutreiben, so dass die Trocknung schneller bewirkt werden kann.The method according to the invention for shutting down a fuel cell device with a fuel cell stack having an anode gas recirculation line including a purge valve is characterized in that when frost start conditions are to be expected for a restart, a shutdown procedure is initiated by switching from a production mode aimed at generating electrical energy to a production mode At least the anode-side drying of the fuel cell stack is directed idling mode, in which the nitrogen concentration on the anode side is increased to above a limit value during continued operation of the fuel cell device and after the limit value is exceeded with the nitrogen-enriched anode gas, a flushing process to expel liquid water is carried out. Furthermore, after the liquid water has been driven off, the idle mode and thus the shutdown procedure for the final shutdown are ended. The enrichment of the anode gas with nitrogen causes an increase in the viscosity with an improved ability to drive off liquid water, so that drying can be effected more quickly.

Bevorzugt ist dabei, wenn im Leerlaufmodus die Stickstoffkonzentration durch ein das Geschlossenhalten des Purgeventils umfassendes Purgeverbot erhöht wird, wobei die Möglichkeit besteht, bei unzureichender Trocknung, dass die anodenseitige Akkumulation von Stickstoff bis zum Überschreiten des Grenzwertes und der daran anschließende Spülvorgang mehrfach durchgeführt wird.It is preferred if the nitrogen concentration is increased in the idle mode by a purge prohibition that includes keeping the purge valve closed, with the possibility, in the event of insufficient drying, that the anode-side accumulation of nitrogen until the limit value is exceeded and the subsequent rinsing process is carried out several times.

Einem verbesserten Austrag von Flüssigwasser dient auch, dass der anodenseitige Druck erhöht wird.An improved discharge of liquid water is also achieved by increasing the pressure on the anode side.

Alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, eine erhöhte Diffusion von Stickstoff durch die Membran zu fördern und so die Stickstoffkonzentration schneller ansteigen zu lassen, indem kathodenseitig der Luftdruck erhöht wird.Alternatively or in addition, there is the possibility of promoting an increased diffusion of nitrogen through the membrane and thus allowing the nitrogen concentration to rise more quickly by increasing the air pressure on the cathode side.

Die Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Steuergerät zum prädiktiven Festlegen der Wahrscheinlichkeit eines Neustarts unter Froststartbedingungen vorgesehen ist, das bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Wahrscheinlichkeit eines Froststartes die Abschaltprozedur initiiert und das Purgeventil für die Stickstoffanreicherung geschlossen hält. Diese Steuergerät kann dabei auch durch das Steuergerät für die Brennstoffzellenvorrichtung gebildet sein.The fuel cell device for carrying out the above-mentioned method is characterized in that a control device is provided for predictively determining the probability of a restart under frost start conditions, which initiates the shutdown procedure when a limit value for the probability of a frost start is exceeded and keeps the purge valve for nitrogen enrichment closed. This control device can also be formed by the control device for the fuel cell device.

Bei einem Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung ist die Alltagstauglichkeit und damit die Nutzerfreundlichkeit erhöht, da der Abschaltvorgang optimiert ist und so die Vorbereitung auf Froststartbedingungen vereinfacht ist.In the case of a motor vehicle with such a fuel cell device, the suitability for everyday use and thus the user-friendliness are increased since the shutdown process is optimized and the preparation for frost start conditions is simplified.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of Invention to leave. There are thus also embodiments to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but emerge from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device

Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.A fuel cell device 1 typically comprises a fuel cell stack 2 comprising a plurality of fuel cells connected in series. Each of the fuel cells includes an anode and a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or of mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Via anode compartments within the fuel cell stack 2 fuel (e.g. hydrogen) is fed to the anodes. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (for example H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron release). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit. Via cathode compartments within the fuel cell stack 2 Cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathodes so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Sofern beim Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 Froststartbedingungen vorliegen, besteht die Gefahr, dass in dem durch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel 2 Kanäle zum Zuführen der Reaktanten durch Eis blockiert werden, wobei das Eis durch eine unzureichende Trocknung des Brennstoffzellenstapels 2 beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 oder durch Einfrieren des Produktwassers beim Start der Brennstoffzellenvorrichtung gebildet werden kann. Liegt anodenseitig eine Blockade vor, tritt eine Wasserstoffverarmung auf, die zu einer tiefen Umpolung führt, die durch Kohlenstoffkorrosion irreversible Schäden an der Membranelektrodenanordnung hervorruft.If when starting a fuel cell device 1 Frost start conditions exist, there is a risk that in the fuel cell stack formed by a plurality of fuel cells 2 Channels for supplying the reactants are blocked by ice, the ice being caused by insufficient drying of the fuel cell stack 2 when turning off the fuel cell device 1 or can be formed by freezing the product water when the fuel cell device is started. If there is a blockage on the anode side, hydrogen depletion occurs, which leads to a deep polarity reversal, which causes irreversible damage to the membrane electrode arrangement due to carbon corrosion.

In 1 ist schematisch der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, bei der die protonenleitfähige Membranen die Kathoden von den Anoden der Brennstoffzellen trennen, wobei den Anoden über Anodenräume Wasserstoff zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 4 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 10 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 5 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulation vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 4 ein nicht näher gezeigtes Brennstoffstellglied zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen. Kathodenseitig ist ein Verdichter 7 vorhanden, mit dem die Luft stark verdichtet wird, um eine ausreichende Menge an Sauerstoff für die Vielzahl der Brennstoffzellen bereitstellen zu können, wobei die Konditionierung des Kathodengases in einem Wärmetauscher 8 und einem Befeuchter 9 erfolgt, dem Feuchte aus dem Kathodenabgas oder ergänzend aus einem anodenseitigen Wasserabscheider zur Verfügung gestellt werden kann. Aus dem Kathodengas diffundieren Inertgase über die Membran zur Anodenseite, insbesondere auch Stickstoff, der über ein Purgeventil 6 aus der Anodenrezirkulationsleitung 5 entfernt werden kann, um eine Wasserstoffverarmung zu vermeiden.In 1 is schematically the part of a fuel cell device required to explain the invention 1 shown, in which the proton-conductive membranes separate the cathodes from the anodes of the fuel cells, whereby hydrogen can be supplied to the anodes via anode spaces. The anode compartments are via an anode feed line 4th with a fuel store providing the fuel 10 connected. Via an anode recirculation line 5 fuel that has not reacted at the anodes can be returned to the anode spaces. In this case, the anode recirculation is preferably assigned a recirculation fan (not shown in detail) or is coupled into the anode recirculation line in a fluid-mechanical manner. The anode supply line is used to regulate the supply of fuel 4th assigned to a fuel actuator not shown in detail or arranged in the anode supply line. This fuel actuator is preferably designed as a pressure regulating valve. A heat exchanger, preferably in the form of a recuperator, for (pre) heating the fuel is provided upstream of the pressure regulating valve. A compressor is on the cathode side 7th present, with which the air is strongly compressed in order to be able to provide a sufficient amount of oxygen for the plurality of fuel cells, the conditioning of the cathode gas in a heat exchanger 8th and a humidifier 9 takes place, the moisture can be made available from the cathode exhaust gas or additionally from an anode-side water separator. Inert gases diffuse from the cathode gas via the membrane to the anode side, in particular also nitrogen, which is released via a purge valve 6th from the anode recirculation line 5 can be removed to avoid hydrogen depletion.

Mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist es möglich, ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem eine Anodengasrezirkulationsleitung 5 einschließlich eines Purgeventils 6 aufweisenden Brennstoffzellenstapel 2, so auszuführen, dass bei zu erwartenden Froststartbedingungen für einen Neustart, die folgenden Schritte ausgeführt werden:

  • - Initiierung der Abschaltprozedur durch einen Wechsel aus einem auf die Gewinnung elektrischer Energie gerichteten Produktionsmodus in einen auf die zumindest anodenseitige Trocknung des Brennstoffzellenstapels 2 gerichteten Leerlaufmodus, in dem beim fortgesetzten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 die Stickstoffkonzentration anodenseitig bis über einen Grenzwert erhöht wird,
  • - Durchführen eines Spülvorganges nach dem Überschreiten des Grenzwertes mit dem mit Stickstoff angereicherten Anodengas zum Austreiben flüssigen Wassers, und
  • - Beenden des Leerlaufmodus und damit der Abschaltprozedur nach dem Austreiben des flüssigen Wassers für das endgültige Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 1.
With such a fuel cell device 1 it is possible to provide a method of parking a fuel cell device 1 with an anode gas recirculation line 5 including a purge valve 6th having fuel cell stack 2 in such a way that the following steps are carried out if frost start conditions are expected for a restart:
  • Initiation of the shutdown procedure by changing from a production mode aimed at generating electrical energy to one aimed at drying the fuel cell stack at least on the anode side 2 directional idle mode in which when the fuel cell device continues to operate 1 the nitrogen concentration on the anode side is increased above a limit value,
  • - Carrying out a flushing process after the limit value has been exceeded with the nitrogen-enriched anode gas to expel liquid water, and
  • - Ending the idle mode and thus the shutdown procedure after expelling the liquid water for the final shutdown of the fuel cell device 1 .

Zur Erhöhung der Stickstoffkonzentration kann dabei ausgenutzt werden, dass unverändert Stickstoff aus der verdichteten Luft als Kathodengas über die Membran zur Anodenseite diffundiert, so dass im Leerlaufmodus ein Purgeverbot erfolgt und das Purgeventil 6 geschlossen gehalten wird für eine anodenseitige Akkumulation von Stickstoff bis zum Überschreiten des Grenzwertes. Nach dem Überschreiten dieses Grenzwertes wird daran anschließende der Spülvorgang gegebenenfalls mehrfach durchgeführt. Der Grenzwert liegt dabei über der Stickstoffkonzentration natürlicher Luft, inbesondere zwischen 80% und 90%.To increase the nitrogen concentration, use can be made of the fact that nitrogen diffuses unchanged from the compressed air as cathode gas over the membrane to the anode side, so that in idle mode a purge ban occurs and the purge valve 6th is kept closed for an anode-side accumulation of nitrogen until the limit value is exceeded. After this limit value has been exceeded, the rinsing process is then carried out several times if necessary. The limit value is above the nitrogen concentration in natural air, in particular between 80% and 90%.

Die Erhöhung der Stickstoffkonzentration im Anodengas bewirkt eine Steigerung von dessen Viskosität und damit eine Verbesserung der Eignung zum Austreiben von Flüssigwasser. Diese Eignung wird auch verbessert, wenn der anodenseitige Druck erhöht wird und/oder kathodenseitig der Luftdruck erhöht wird.The increase in the nitrogen concentration in the anode gas causes an increase in its viscosity and thus an improvement in its suitability for expelling liquid water. This suitability is also improved if the pressure on the anode side is increased and / or the air pressure is increased on the cathode side.

Für die Durchführung des vorstehenden Verfahrens kann ein Steuergerät genutzt werden, das zum prädiktiven Festlegen der Wahrscheinlichkeit eines Neustarts unter Froststartbedingungen vorgesehen ist, und das bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Wahrscheinlichkeit eines Froststartes die Abschaltprozedur initiiert und das Purgeventil 6 für die Stickstoffanreicherung geschlossen hält.To carry out the above method, a control device can be used which is provided for predictive determination of the probability of a restart under frost start conditions and which initiates the shutdown procedure and the purge valve when a limit value for the probability of a frost start is exceeded 6th keeps closed for nitrogen enrichment.

Ein Kraftfahrzeug mit einer derartig verbesserten Brennstoffzellenvorrichtung besitzt eine verbesserte Alltagstauglichkeit auch unter wechselnden Umweltbedingungen.A motor vehicle with such an improved fuel cell device has improved suitability for everyday use even under changing environmental conditions.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
KathodenzufuhrleitungCathode feed line
44th
AnodenzufuhrleitungAnode feed line
55
AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
66
PurgeventilPurge valve
77th
Verdichtercompressor
88th
WärmetauscherHeat exchanger
99
BefeuchterHumidifier
1010
BrennstoffspeicherFuel storage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2018/0034082 A1 [0003]US 2018/0034082 A1 [0003]
  • US 2011/0262822 A1 [0004]US 2011/0262822 A1 [0004]

Claims (7)

Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem eine Anodengasrezirkulationsleitung (5) einschließlich eines Purgeventils (6) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), bei zu erwartenden Froststartbedingungen für einen Neustart, umfassend die Schritte der Initiierung der Abschaltprozedur durch einen Wechsel aus einem auf die Gewinnung elektrischer Energie gerichteten Produktionsmodus in einen auf die zumindest anodenseitige Trocknung des Brennstoffzellenstapels (2) gerichteten Leerlaufmodus, in dem beim fortgesetzten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung (1) die Stickstoffkonzentration anodenseitig bis über einen Grenzwert erhöht und nach dem Überschreiten des Grenzwertes mit dem mit Stickstoff angereicherten Anodengas ein Spülvorgang zum Austreiben flüssigen Wassers durchgeführt wird, wobei nach dem Austreiben des flüssigen Wassers der Leerlaufmodus und damit die Abschaltprozedur für das endgültige Abschalten beendet wird.Method for shutting down a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) having an anode gas recirculation line (5) including a purge valve (6), when frost start conditions are expected for a restart, comprising the steps of initiating the shutdown procedure by changing from one to extraction Electric energy-directed production mode into an idle mode aimed at at least the anode-side drying of the fuel cell stack (2), in which, with continued operation of the fuel cell device (1), the nitrogen concentration on the anode side increases to above a limit value and after the limit value is exceeded with the nitrogen-enriched anode gas Rinsing process for expelling liquid water is carried out, wherein after expelling the liquid water, the idle mode and thus the shutdown procedure for the final shutdown is ended. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlaufmodus die Stickstoffkonzentration durch ein das Geschlossenhalten des Purgeventils (6) umfassendes Purgeverbot erhöht wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that in the idle mode the nitrogen concentration is increased by keeping the purge valve (6) closed. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Akkumulation von Stickstoff bis zum Überschreiten des Grenzwertes und der daran anschließende Spülvorgang mehrfach durchgeführt werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the anode-side accumulation of nitrogen until the limit value is exceeded and the subsequent flushing process are carried out several times. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der anodenseitige Druck erhöht wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the anode-side pressure is increased. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass kathodenseitig der Luftdruck erhöht wird.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the air pressure is increased on the cathode side. Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zum prädiktiven Festlegen der Wahrscheinlichkeit eines Neustarts unter Froststartbedingungen vorgesehen ist, das bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Wahrscheinlichkeit eines Froststartes die Abschaltprozedur initiiert und das Purgeventil (6) für die Stickstoffanreicherung geschlossen hält.Fuel cell device for performing the method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that a control device is provided for predictively setting the probability of a restart under frost start conditions, which initiates the shutdown procedure when a limit value for the probability of a frost start is exceeded and keeps the purge valve (6) closed for the nitrogen enrichment. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to Claim 6 .
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